TBM施工适应地质条件分析
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TBM施工适应地质条件分析
【摘要】采用TBM施工隧洞，关键是选择与地质条件相适应的围岩类型。TBM掘进速度主要取决于围岩类型及岩石的强度，在强度适中的岩洞段，掘进速度可达2.4～3.2m/h。如在软岩、粘土岩洞段，其掘进速度最多仅以2～5m/d为限。因此, TBM 施工受围岩条件的限制，许多隧洞在施工中遇到特殊围岩隧洞段，已经证实，TBM不宜承担软岩隧洞的掘进。引黄工程地质条件复杂，隧洞穿越地层除大部分为硬岩外，包括粘土岩、膨胀岩、泥岩、煤层、断层等不良地质条件也是不容忽视的。
关键词：TBM地质条件；流塑状态；持力层；荷载
1. 前言
引黄工程是我国目前使用TBM施工最多的项目。南干线由6台TBM完成134.52km 的掘进隧洞；北干线1#隧洞全长43.694km,上游18.694km,用钻爆法施工，下游采用TBM逆坡掘进，单机掘进长度25km，地质条件复杂，隧洞穿越地层，长达12km的洞室围岩有膨胀性粘土岩，炭质泥岩、泥岩、富水地层、断层等不良地质条件；隧洞处于地下水位以下，局部洞线外水压力较高，尽管双护盾TBM施工能够克服许多不良地质条件的影响，达到快速、安全、一次性成洞的效果。但是，面对千变万化的地质条件，TBM的适应能力也较弱。在引黄北干线1#隧洞施工中，遇到膨胀性粘土、炭质泥岩、泥岩等洞段，TBM在施工中就受到很大的限制。
2 . TBM下沉
TBM施工的不足之处在于对不良工程地质条件的适应性较差。引黄北干1#隧洞开挖直径4.819m，该隧洞于2006年9月19日正式开始掘进。掘进到桩号39+448.468m时，遇到炭质泥岩、泥岩饱和层等地层。由于炭质泥岩为软塑～流塑状态，促使TBM掘进机快速下沉，到桩号39+426.231m处时，最大下降318mm。致使TBM无法正常掘进而被迫停机长达137天。
3． 粉砂质泥岩、泥岩、岩石物理力学指标分析：吸水率为3.4%，基岩渗透系数（k）为0.509m/d，软化系数为0.38，饱和单轴抗压强度为10.3Mpa，饱和抗拉强度为2.3 Mpa，抗剪断强度（C）为3.6 Mpa，内摩擦角（φ）为35.3°，弹性模量（ES）为0.3×103 Mpa，泊松比为0.23。围岩弹性抗力系数（k0）为0.4×103
Mpa/m；坚固性系数（fk）为1.0。围岩的物理力学性质测试，TBM在北干线1#隧洞施工中遇到石炭系太原组C3t地层的9#煤层顶板至石炭系山西组C3s地层的4#煤层底板间的泥岩、砂质泥岩、中细粒砂岩长石石英砂岩及薄煤层。岩层为层状，硬岩呈碎裂状结构，裂隙发育、泥岩软塑性较强，易形成不利组合体。
4. TBM掘进隧洞围岩特征
引黄工程北干线1#隧洞，桩号31+608.57～43+670.641段，隧洞主要穿过石炭系含煤岩地层中的软弱夹层，覆盖层厚20～56m。岩层呈缓倾斜，围岩以砂岩，砂质泥岩、炭质泥岩夹薄煤层及长石石英砂岩为主。岩石局部受风化作用强烈，该洞段为Ⅳ、Ⅴ类围岩，岩体中节理裂缝较为发育，局部洞线围岩呈碎裂状结构，根据统计参数分析，主要有三组节理:（1）N20～40°E，NW<70～85°;（2）N60～80° W,SW<80～90°此组节理最发育；（3）N15～40°W，SW<50～70°，洞线与第二组结构面之夹角15～25°。岩层层面与节理裂隙结构面是隧洞围岩不稳定的主要因素。
在TBM下沉洞段，由长石石英砂岩与炭质泥岩、泥岩形成组合地层，长石石英砂岩、砂岩层、节理裂隙较为发育，间距一般10～30Cm，局部构造有地下水流出，隧洞开挖过程中多呈渗水、滴水、线状流水。一般流量约0.7～0.5L/S.10m。地下水对掘进过程产生了不良影响，尤其是隧洞底板处有0.7m厚的炭质泥岩层等软岩岩层，使围岩软化引起洞体发生较大的变形，却是关键因素。
5. TBM下沉原因分析
⑴引黄北干线1#隧洞TBM下沉于软塑—流塑状态的炭质泥岩中；根据TBM下沉部位取样物理力学试验参数表明，岩层的结构与岩体稳定性有直接关系，在多裂隙的或有软弱结构的岩体中，隧洞围岩的强度主要取决于裂隙的产状、组合，尤其是各种软弱结构面的存在，决定了整个岩体的力学强度和变形性质。
⑵岩石的溶水性与岩体强度有直接关系；岩石溶水性对强度的影响，在很大程度上取决岩石的孔隙度，在其它条件相同的情况下，孔隙度大的岩石强度降低的大些。如孔隙度最大的沉积岩－砂岩，在被水饱和时，其强度会降低25～45﹪，而孔隙度不大的岩浆岩为水饱和时，其强度降低很小。
⑶岩石本身承受压力起源有两种：一种是“岩石的初始压力”，即岩体在未受到隧洞掘进影响前的固有应力；另一种是隧洞在掘进过程中，不同岩体承受TBM掘进机的荷载压力。如软塑状岩体，因岩体的原始塑性粘滞作用，当软岩表面承受较大的荷载压力达到极限抗压强度，围岩发生连续变形和破坏，这是TBM下沉的主要机理。围岩与护盾接触，不同类型的围岩需要克服荷载与反应时间的关系，这是TBM在压力围岩条件下掘进的实际情况，变形值大小的问题，很大程度取决于围岩的强度，若围岩不能克服不断增长的压力，则TBM就面临着卡机和下沉的危险。
TBM施工在不同的围岩中掘进，它包含地质条件和施工行为中的许多不确定因素。掘进参数研究表明，TBM在不断掘进过程中，对推进力影响最大的是护盾壳与围岩之间的摩擦力，而这部分推力又直接受到岩石压力的影响。
这部分；力的近似计算如下:
Fvf=[2(σv+σh).L.D+W].µ
式中：Fvf—作用在护盾壳上的摩擦力（kn）
σv——作用在护盾壳上的垂直压力（kn/m2）
σh——作用在护盾壳上的水平压力（kn/m2）
L —护盾壳长度（m）
D —护盾直径（m）
W —护盾重量（m）
µ —护盾与围岩的摩擦系数
双护盾TBM在不同的围岩条件下，护盾壳与围岩之间的摩擦系数，如下表列出不同的µ值。
岩石类型对TBM护盾 µR µA
岩石、砾石（干燥至湿润） 0.4～0.45 0.25～0.30
砂岩、粉砂岩（带极少量粘土） 0.45～0.50 0.35～0.40
粘土岩、粘土质粉砂岩 0.50 0.30～0.35
µR=静止摩擦系数µA=运动摩擦系数
以上统计参数表明TBM在围岩压力条件下掘进就不可避免地涉及到护盾壳的问题。最主要是发生在开挖断面护盾壳与应力重新分部和产生的变形率。对推力影响最大的是护盾壳与围岩之间的摩擦力，而这部分推力又直接受到岩石压力的影响，由于岩体的原始弹性作用，使隧洞开挖掌子面围岩发生裂隙和连续变形，基本上都属于岩石条件不能承受围岩应力而发生破裂或达到临界变形所致，这是对岩石压力的直接理解。实际中，在什么样的条件下会发生什么样的反应，不仅取决于应力的原始状态和岩体本身的特性，而且在很大程度上也受到开挖方式和隧洞尺寸形状的影响。研究对不同的岩层开挖方法与岩石压力，这些复杂的参数及其相互关系，是控制变形，解决TBM在施工中保持围岩稳定的有效途径。
6. 结论
TBM技术作为一种快速掘进方法，已得到广泛应用。TBM是现在、未来隧洞施工技术发展的主要趋势之一，日益成熟的新设备和新技术在地下隧洞中施工已经占据重要的位置，并且向大洞径、大埋深、不定形断面发展。TBM同时在不同的围岩中掘进，最好不要拘于一种开挖支护方式。在隧洞施工中，不可避免地要遇到许多特殊地质现象，由软岩到坚硬的岩层。施工中，必须克服各种软岩
或坚硬岩层。
综上所述，几乎所有跨流域引水工程的长隧洞都需采用TBM施工。TBM施工技术不仅为长隧洞工程提供了更为经济的方案，而且能保证工程质量、加速工程建设、缩短工期、改善安全生产条件。尽管存在对于诸如断层破碎带、压缩性软岩、岩溶等不良地质条件适应性差的缺点，随着科学技术的发展与进步，TBM最终能够克服隧洞施工中各种影响因素，适应在较为复杂的地质条件下施工，必将取得重大突发。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
